连续旋转法GPS天线相位中心检测系统的制作方法

本实用新型属于GPS天线检测方法与装置领域，具体涉及一种由旋转台和控制系统组成的连续旋转系统以及通过该装置实现的GPS天线相位中心检测方法。

背景技术：

GPS观测作为一种大地测量手段，在地球动力学研究和高精度地壳形变监测中发挥着重要作用。GPS观测设备由接收机和天线组成，天线负责接收卫星电磁信号，接收机负责设置观测模式与处理观测信号。在野外观测中，利用由两台或两台以上GPS设备所采集的同步观测数据形成的差分观测值可以解算出观测天线间的基线向量。

由于天线本身的机械与电气特性，天线几何中心(参考点)和电气中心(相位中心)间会存在偏差，因此需要对天线相位中心进行检测以在高精度大地测量中通过相位中心改正提高观测精度。

GPS天线的相位中心改正值可以分别由天线相位中心偏移(Phase Center Offset,PCO)和相位中心变化(Phase center Variation,PCV)来描述。其中PCO是天线平均相位中心(Mean phase center,MPC)与天线参考点(Antenna reference point，ARP)的间距；PCV是单个观测值的瞬时相位中心与平均相位中心的偏差，其随卫星信号高度角、方位角而变化。

目前，相位中心检测的方法主要有旋转天线法、微波暗室法和自动机器人检测法。

旋转天线法是目前国内普遍使用的方法，在室外超短基线中将被测天线旋转2至4个方向，每个方向观测一个时段，通过各个时段的基线解算向量差异计算天线相位中心偏移。旋转天线法本身存在机械旋转误差，测量周期长，由于各方向观测时段不相同会引入多路径效应等观测误差，且因方法限制不能得到相位中心变化。

微波暗室法是在暗室内通过发射模拟GPS信号检测天线的相位中心偏移和变化，由德国波恩大学于1994年提出并逐步开展。由于该方法不能反应出真实的野外GPS观测环境，检测结果存在较大争议。

自动机器人检测法在室外利用多自由度机器人以一定的步长旋转、倾斜被校准天线，利用大量的观测值解算用于拟合天线相位中心模型的球谐函数的系数。该方法由德国汉诺威大学于1997年提出，目前被认为是最精确的检测方法，但该技术研究成本和难度极高，目前国内尚无成熟产品，不利于北斗系统等自主天线的检测。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本实用新型提供一种连续旋转法GPS天线相位中心检测系统。使用连续旋转系统精确改变天线的指向方向，避免了旋转天线法引入的操作误差；利用该装置在GPS时间下高频率的周期转动被测天线以改变各观测历元的天线指向方向，从而使天线各指向方向的观测数据均匀分布于整个观测时段中，利用观测数据拟合计算出天线的相位中心偏移和变化。由于各天线指向方向的观测环境条件具有极强的相关性，可以有效减小多路径效应等观测误差的影响。此方法具有结果准确、自动化程度高、数据真实、应用性强的特点。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种连续旋转法GPS天线相位中心检测系统，包括基座、旋转台和控制单元，所述基座为测绘仪器标准基座；所述旋转台包括支撑杆，所述支撑杆的上部设有中心孔，所述支撑杆的顶部自下而上依次设有悬臂支撑板、回转支撑轴承、从动齿轮和GPS天线连接杆；所述悬臂支撑板的一端为与所述支撑杆顶部形状相同的圆环，所述回转支撑轴承的外圈、所述圆环和所述支撑杆同轴连接；所述从动齿轮套在所述GPS天线连接杆上，所述GPS天线连接杆的下部穿过所述从动齿轮及所述回转支撑轴承的内圈后插入到所述支撑杆上部的中心孔中，所述GPS天线连接杆、所述从动齿轮和所述回转支撑轴承的内圈同轴连接；所述GPS天线连接杆的顶部是用于与被测GPS天线连接的螺纹柱；所述悬臂支撑板的悬臂端固定有步进电机，所述步进电机的输出轴上设有与所述从动齿轮啮合的主动齿轮，所述步进电机与一编码器相连，所述编码器用于反馈所述步进电机的旋转角度；所述控制单元包括均与单片机控制器相连的人机交互模块、GPS授时模块和电机驱动器；所述GPS授时模块实现系统与GPS时间的时间同步；所述电机驱动器与所述步进电机相连，所述电机驱动器根据单片机控制器的指令输出信号驱使所述步进电机转动；所述单片机控制器与所述编码器相连，用于接收所述编码器反馈的电机旋转角度信息，从而实现对所述GPS天线连接杆的闭环控制。

进一步讲，本实用新型的连续旋转法GPS天线相位中心检测系统中，所述主动齿轮与所述从动齿轮的传动比为8:1，所述主动齿轮采用锻钢材质，所述从动齿轮采用尼龙材质。

所述回转支撑轴承的精度为P5等级。

所述GPS天线连接杆与所述回转支撑轴承的配合间隙最大为0.04mm，使得被测GPS天线旋转的归心误差最大为0.06mm，以满足GPS天线相位中心检测。

所述步进电机采用60型步进电机，静扭矩为3.0Nm，步进角为1.8°。

所述编码器采用增量式光电旋转编码器，分辨率为1000脉冲/转。

所述单片机控制器采用以C8051F020为CPU的单片机控制器；

通过所述单片机控制器的脉冲、方向和使能三个IO端口发送信号至所述电机驱动器以驱动步进电机转动；通过所述单片机控制器的SPI通信接口与具有按键组和显示功能的人机交互模块实现人机交互，使用者通过人机交互模块设定所述GPS天线连接杆的运行参数、观察运行状态，所述运行参数至少包括所述GPS天线连接杆旋转的时间序列和角度序列；通过所述单片机控制器的串行通信接口与所述GPS授时模块通信实时接收GPS卫星数据，从中提取出所需的UTC时间，并转化为GPS时间，检测过程中GPS天线的旋转以此时间为基准；通过所述单片机控制器的计数器接口接收所述编码器发送的脉冲信息，反馈所述GPS天线连接杆的旋转角度信息，实现对旋转台的闭环控制。

所述电机驱动器设置为2细分模式，由所述单片机控制器IO端口发出的每个脉冲所对应的电机步进角为0.9°，通过主动齿轮和从动齿轮传动至所述GPS天线连接杆的步进角为0.1125°，以达到相位中心检测所需的旋转角度精度。

所述GPS授时模块是以MT3329卫星定位接收芯片为核心的GPS终端设备，通电后自动锁定卫星并接收GPS信号，所述GPS授时模块通过串行接口连续向外发送数据，波特率为200bps，数据更新频率为10HZ；数据指令遵循NMEA-0183标准格式，包括全球定位数据、卫星状态信息、大地坐标信息、UTC时间和日期信息。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)结果准确，采用测绘仪器标准基座实现了测量过程中天线的整平，保证了天线的安平精度；通过控制旋转轴套间的配合间隙，提高了天线旋转的归心精度；使用编码器进行闭环反馈，提高了天线旋转的角度精度；采用大传动比的减速齿轮传动机构提高旋转台的载重，可以适应更多种类的天线检测需求；被动齿轮采用尼龙材质，主动齿轮采用金属材质，可以有效降低或防止齿面磨损、轮齿啮合过紧、齿轮热变形等现象的发生，有效改善装置使用寿命和稳定性。

(2)数据真实，本实用新型连续旋转法通过采集GPS卫星信号计算得到天线相位中心，其更能反应GPS的实际工作情况，检测结果更加真实有效。

(4)应用性强，本实用新型中的连续旋转系统更加易于移动、便于维护、成本更低，具有更强的应用前景。

附图说明

图1是本实用新型连续旋转法GPS天线相位中心检测系统中旋转台的结构示意图；

图2是本实用新型连续旋转法GPS天线相位中心检测系统控制框图；

图3是利用本实用新型进行检测的过程示意图；

图4是利用本实用新型检测过程中旋转操作示意图。

图中：

10-基座，20-旋转台，21-支撑杆，22-中心孔，23-悬臂支撑板，24-回转支撑轴承，25-从动齿轮，26-GPS天线连接杆，27-螺纹柱，28-步进电机，29-主动齿轮，30-编码器，31-单片机控制器，32-人机交互模块，33-GPS授时模块，34-电机驱动器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本实用新型进行解释说明，并不用以限制本实用新型。

如图1和图2所示，本实用新型一种连续旋转法GPS天线相位中心检测系统，包括基座10、旋转台20和控制单元。

为了提高检测精度，实现测量过程中天线的整平，所述基座10采用测绘仪器标准基座。

所述旋转台20包括支撑杆21，所述支撑杆21的上部设有中心孔22，所述支撑杆21的顶部自下而上依次设有悬臂支撑板23、回转支撑轴承24、从动齿轮25和GPS天线连接杆26；所述悬臂支撑板23的一端为与所述支撑杆21顶部形状相同的圆环，所述回转支撑轴承24的外圈、所述圆环和所述支撑杆21同轴连接；所述从动齿轮25套在所述GPS天线连接杆26上，所述GPS天线连接杆26的下部穿过所述从动齿轮25及所述回转支撑轴承24的内圈后插入到所述支撑杆21上部的中心孔22中，所述GPS天线连接杆26、所述从动齿轮25和所述回转支撑轴承24的内圈同轴连接；所述GPS天线连接杆26的顶部是用于与被测GPS天线连接的螺纹柱27；所述悬臂支撑板23的悬臂端固定有步进电机28，所述步进电机28的输出轴上设有与所述从动齿轮25啮合的主动齿轮29，步进电机28的安装位置要保证使主动齿轮29和从动齿轮25的正常啮合，所述步进电机28采用60型步进电机，静扭矩为3.0Nm，步进角为1.8°。所述步进电机28与一编码器30相连，所述编码器30用于反馈所述步进电机28的旋转角度；所述编码器30采用增量式光电旋转编码器，分辨率为1000脉冲/转(即0.36°)。

为了提高旋转台的载重以适应更多种类的天线需求，本实用新型中的减速齿轮传动机构的齿轮采用单模直齿圆柱齿轮，使用8：1的大传动比，如：主动轮为15齿，从动轮为120齿，而且主动齿轮采用锻钢材质，被动齿轮采用尼龙材质，从而有效降低或防止齿面磨损、轮齿啮合过紧、齿轮热变形等现象的发生，提高装置使用寿命和稳定性。

为了提高使用寿命，并方便维护，本实用新型中的回转支承轴承24采用P5精度等级，其回转精度优于0.02mm。

本实用新型中，GPS天线连接杆26顶端的螺纹柱采用美制5/8-11螺纹柱，用于固定被测GPS天线。为了保证GPS天线的回转精度，所述GPS天线连接杆26与所述回转支撑轴承24的配合间隙最大为0.04mm，因此，被测GPS天线旋转的归心误差最大为0.06mm，从而满足GPS天线相位中心检测的需要。

如图2所示，所述控制单元包括均与单片机控制器31相连的人机交互模块32、GPS授时模块33和电机驱动器34；所述GPS授时模块33实现系统与GPS时间的时间同步；所述电机驱动器34与所述步进电机28相连，所述电机驱动器34根据单片机控制器31的指令输出信号驱使所述步进电机28转动；所述单片机控制器31与所述编码器30相连，用于接收所述编码器30反馈的电机旋转角度信息，从而实现对所述GPS天线连接杆21的闭环控制。

本实用新型的控制单元中，单片机控制器31是控制的核心器件，负责分析输入信号、执行操作指令、输出控制信号等功能。

所述单片机控制器31采用以C8051F020为CPU的单片机控制器。

所述人机交互模块32具有按键组和显示功能。

所述GPS授时模块33采用以MT3329卫星定位接收芯片为核心的GPS终端设备，通电后自动锁定卫星并接收GPS信号，所述GPS授时模块通过串行接口连续向外发送数据，波特率为200bps，数据更新频率为10HZ；数据指令遵循NMEA-0183标准格式，数据指令至少包括全球定位数据、卫星状态信息、大地坐标信息、UTC时间和日期信息，其中，UTC时间精度为0.1μs。

所述电机驱动器34设置为2细分模式，所述单片机控制器31IO端口发送至所述电机驱动器34的每个脉冲信号所对应的步进角为0.9°，通过主动齿轮29和从动齿轮25传动至所述GPS天线连接杆26的步进角为0.1125°，以达到相位中心检测所需的旋转角度精度。

利用本实用新型实现旋转过程中，通过所述单片机控制器31的脉冲、方向和使能三个IO端口发送信号至所述电机驱动器34以驱动步进电机28转动；通过所述单片机控制器31的SPI通信接口与具有按键组和显示功能的人机交互模块32实现人机交互，使用者通过人机交互模块32设定所述GPS天线连接杆26的运行参数、观察运行状态，所述运行参数至少包括所述GPS天线连接杆26旋转的时间序列和角度序列。通过所述单片机控制器31的串行通信接口与所述GPS授时模块33通信实时接收GPS卫星数据，从中提取出所需的UTC时间，并转化为GPS时间，检测过程中GPS天线的旋转以此时间为基准。通过所述单片机控制器31的计数器接口接收所述编码器30发送的脉冲信息，反馈所述GPS天线连接杆26的旋转角度信息，实现对旋转台的闭环控制。

具体检测过程为：

被测GPS天线安装在旋转台20的GPS天线连接杆26顶端螺纹柱27上，旋转台20安装于基座10上并通过基座10进行整平，被测GPS天线、旋转台20、基座10均安装于符合GPS观测环境条件的观测墩上。在距离被测GPS天线不大于20m处的观测墩上架设一台参考GPS设备，与被测GPS天线构成超短基线。

如图3所示，检测开始时，使用者通过人机交互模块32设定被测GPS天线旋转的时间和角度序列至单片机控制器31的寄存器中，初始化后，从寄存器读取旋转时间序列，单片机控制器31通过GPS授时模块33实时更新系统时间，从GPS授时模块33读取当前时刻，判断当前时刻是否到达旋转启动时刻，当到达被测GPS天线需要旋转的时刻时，启动执行一次天线旋转操作，否则，继续从GPS授时模块33读取当前时刻，直至到达旋转启动时刻。如图4所示，天线旋转操作的流程是：(1)启动旋转操作，从寄存器读取旋转角度序列；(2)计算所需旋转角度和方向，输出指令信号至电机驱动器34，从编码器30读取已旋转角度，(3)判断是否到达角度序列的要求，若达到要求，则输出停止指令至电机驱动器34，并返回主流程，否则返回至步骤(2)。即：单片机控制器31通过IO端口发送指令信号至电机驱动器34驱动步进电机28，步进电机28的输出轴带动主动齿轮29旋转并经从动齿轮25传动至GPS连接杆26，再通过GPS连接杆26带动被测天线旋转；旋转过程中，单片机控制器31通过编码器30接收步进电机28输出轴的旋转角度信息，以实时反馈被测GPS天线的旋转角度；当被测GPS天线的旋转角度达到角度序列的相应旋转角度要求后，单片机控制器31发送指令信号至电机驱动器34，停止对步进电机28的驱动，被测GPS天线即停止转动。此时单片机控制器31继续通过GPS授时模块33更新系统时间，等待下一次启动旋转操作。

在整个观测时段内，被测GPS天线在连续旋转系统的驱动下以一定的角度和时间间隔持续进行周期性旋转，利用连续旋转系统与GPS时间的时间同步功能，设置GPS接收机于天线静止时刻采集卫星信号，使被测GPS天线在每个周期内等时间间隔的指向不同方向。当观测时段充足时，可分别利用观测时段内不同天线指向和不同卫星信号入射方向下的超短基线测量值分析计算天线的相位中心偏移和变化。

数据处理过程为：

(1)使用teqc软件对观测数据进行查验和预处理，提取所需历元重构观测数据文件；

(2)利用GPS解算软件分别解算各重构文件的超短基线向量；

(3)通过观测时段内各天线指向方向下基线结果的变化，计算被测GPS天线的相位中心偏移向量，该向量由北、东、高三个分量表示；

(4)结合卫星轨迹，利用相位中心偏移之外的观测残差拟合天线相位中心模型的球谐函数的系数，计算天线相位中心变化值，该值由卫星信号不同天顶角、不同方位角入射条件下的偏移量表示。

实施例：

将检测场地建在地质构造坚固稳定的区域，具有至少一组距离不大于20m的强制归心观测墩，观测墩周围无强电磁信号干扰，点位环视高度角15°以上无障碍物。

本实用新型的旋转台20安装在测绘仪器标准基座上，通过基座10固定在GPS观测墩上并整平。被测GPS天线架设在本实用新型的旋转台20的螺纹柱27上，与参考GPS设备组成超短基线。将被测GPS设备与参考GPS设备的采样周期设置为15s，卫星高度截止角设置为0°。

检测过程：参考GPS设备连续观测，天线始终指向北方向；被测GPS设备从任意时刻开始记录数据，由旋转台20带动天线在旋转周期内分别指向四个方向，旋转周期为1分钟，连续观测24h。每周期内运行情况如下：

利用GPS解算软件进行基线解算并处理数据：

(1)提取四个天线方向的数据组成四个观测文件，即得到相同观测时段中不同天线指向的采样间隔为1min的四个采样文件，用这四个观测文件与参考仪器的观测文件解算出四组超段基线观测值，计算出GPS天线的相位中心偏移向量。

(2)结合GPS星历和星轨，使用所有历元中相位中心偏移量之外的观测残差拟合出与卫星信号入射角和卫星信号方位角相关的天线相位中心变化值。

检测结果为标准.atx格式，包括了各GPS信号频率下的天线相位中心偏移和变化。相位中心偏移由北、东、高三个分量表示，相位中心变化用卫星信号不同天顶角、不同方位角入射条件下的偏移量表示(角度步长5°)，单位为mm。结果文件示例见表1。

表1：检测结果示例

通过实施例可以得出的本实用新型所具有的特点：

(1)结果准确。使用本实用新型的连续旋转系统驱动GPS天线以GPS时间为基准高精度自动旋转，从而利用连续旋转被测天线的方法精确计算GPS天线的相位中心偏移和变化，有效消除多路径效应等大部分观测误差的影响，得到更加密集的采样点，使GPS天线相位中心检测结果更加准确。

(2)自动化程度高。检测过程中被测GPS天线的旋转由本实用新型的连续旋转系统实现，检测过程无需人工干预。

(3)数据真实。检测过程全部在室外完成，所使用的数据均为GPS卫星信号数据，能够反应GPS的实际工作情况，检测结果更加真实有效。

(4)应用性强。在GPS超短基线场地中使用本实用新型的连续旋转系统，利用本实用新型的连续旋转被测天线的方法即可完成天线相位中心检测工作，该装置方法操作简便，具有较强的应用前景。

尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。